«ЭкоГрад» продолжает публикацию научных работ разных лет профессора, академика РАЕН Виктора Аполлонова - специалиста по лазерам, номинанта конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (Академик Виктор Аполлонов, специалист по лазерам, номинант конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (ФОТО, ВИДЕО)). Список вышедших материалов - см. в разделе каждой публикации «Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде», а также следите за обновлениями на нашем сайте!
Виктор Викторович Аполлонов –– генеральный директор ООО «Энергомаштехника», заведующий отделом мощных лазеров Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР (1982) и РФ (2001), академик АИН и РАЕН, член Президиума РАЕН. Член докторского совета Института, член Американских физического и оптического обществ. Ведущий специалист в области мощных лазерных систем и взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 1920 докладов, выступлений в средствах массовой информации, научных публикаций, в том числе 18 монографий и 144 авторских свидетельств и патентов. Окончил c отличием МИФИ в 1970 г. За 49 лет научной работы в ФИАН (до 1983 г.) и далее в ИОФ РАН он впервые:
–– получил многозарядные ионы тяжелых элементов при взаимодействии мощного лазерного излучения с твердыми мишенями и исследовал их энергетические характеристики. Идея использования многозарядных ионов в ускорителях была реализована в Дубне, сегодня она претворяется в жизнь в ЦЕРНе;
–– сформулировал и развил физико-технические основы статической и адаптивной охлаждаемой силовой оптики, сформулировал критерии разрушения зеркальных поверхностей в случае непрерывного, импульсного и импульсно-периодического режимов воздействия. Совместно с рядом предприятий оборонного комплекса им созданы мощные лазерные установки МВт-ного уровня;
–– предложил транспортировку носителей заряда с целью динамического профилирования электрического поля в разрядном промежутке и формирования устойчивых разрядов в промежутках до одного метра и в объемах до нескольких кубических метров, создал высокоэффективные импульсные лазерные системы;
–– провел исследования лазерной молниезащиты ценных объектов с помощью высокопроводящего искрового канала, создаваемого лазерным излучением;
–– разработал физико-технические принципы построения мощных полупроводниковых охлаждаемых матриц лазерных диодов и осуществил фазировку мощных лазерных диодов;
–– предложил, осуществил и исследовал высокочастотный импульсно-периодический режим в мощных лазерных системах, получил новый режим работы лазерного двигателя - резонансное сложение светодетонационных ударных волн;
–– предложил способ реализации сверхдлинных проводящих каналов для передачи энергии, а также обосновал использование предложенной технологии для борьбы с космическим мусором;
–– разработал физико-технические принципы и осуществил многократно воспроизводимый лазерный поджиг ракетного двигателя, работающего на экологически безопасном топливе;
–– исследовал физико-технические процессы лазерного устранения нефтяных загрязнений с поверхности воды, показал высокую эффективность разработанных методов для решения проблем экологии;
–– разработал физико-технические принципы построения высокочастотного моно-модульного дискового импульсно –– периодического лазера с параметрами, масштабируемыми до уровня в несколько десятков МВт.
Виктор Аполлонов является организатором международных конференций, членом организационных комитетов ведущих мировых симпозиумов в области мощных лазеров и их применений. Им подготовлено 32 кандидата и доктора физико-математических наук.
Силовая оптика и ее новые проявления
Археологи утверждают, что человечество научилось делать зеркала более пяти тысяч лет назад. Сначала в быту использовались отполированные бронзовые или серебряные пластинки, и лишь у древних римлян появились стеклянные зеркала с оловянной или свинцовой подложкой. Много раз с тех пор менялась технология производства зеркал, но в основе по-прежнему были стекло или кварц с нанесенными на них металлическими покрытиями. И никогда раньше энергетическое воздействие потоков излучения не было страшно зеркалам, так как они во все времена отражали очень слабый свет, скажем, от далеких звезд, от пламени свечи или лучины.
Современные проблемы взаимодействия оптических зеркал с мощным излучением встали в связи с созданием лазеров. Практически в лазерах всех типов генерация возникает в резонаторе, который состоит как минимум из пары зеркал, и через одно из них излучение выводится наружу. Поначалу прекрасно обходились традиционными кварцевыми дисками с зеркальным покрытием, но за прошедшие годы мощность лазерных потоков излучения выросла в десятки тысяч раз и более. И сегодня проблема создания зеркал, способных работать и сохранять свои высокие оптические характеристики при воздействии интенсивного излучения, стала одной из ключевых в деле совершенствования мощных лазеров и современных высокоэнергетических систем. Конструктивные, материаловедческие и технологические идеи, заложенные при создании силовой оптики, работают и приносят огромную пользу специалистам, занятым решением проблем построения астрономической и космической оптики, создания новых эффективных систем на основе лазеродиодных сборок и многих других областей постоянно расширяющегося знания.
Oптика мощных лазеров
Еще в конце шестидесятых годов мы обратили внимание на явление, которое, несомненно, должно было ограничить дальнейший рост мощности создаваемых лазерных систем и, соответственно, значение интенсивности лазерного луча на поверхности облучаемого объекта. Суть этого явления, изучению которого и решению связанных с ним проблем было посвящено более двадцати лет серьезных фундаментальных и прикладных исследований, заключалась в следующем. Оптическая поверхность даже очень хорошего зеркала не полностью отражает падающее на нее излучение, малая часть энергии, доли процента в зависимости от длины волны, поглощается в зеркале и превращается в тепло. По мере роста мощности лазерного излучения даже этой небольшой величины оказывалось достаточно, чтобы в зеркале возникли термические напряжения. Они искажали геометрическую форму отражающей поверхности, что влияло, например, на такое важное свойство лазерного излучения, как возможность его доставки на значительные расстояния и концентрации в малом объеме. Теперь мы знаем, что тепловые деформации зеркал не только ухудшают основные характеристики луча, но и приводят к срыву генерации: лазер перестает быть лазером. А можно ли вообще создать зеркала, которым не страшен поток излучения мощностью в несколько мегаватт? Именно этот вопрос и составлял, пожалуй, главную задачу для мировой лазерной общины начала семидесятых годов.
В Институте общей физики им. А. М. Прохорова РАН и в работавщих под его руководством организациях оборонного комплекса страны много лет велись исследования в области, так называемой лазерной оптики высоких интенсивностей или силовой оптики. Главное требование к ней — высокое значение порога оптической работоспособности. Поясним, что это такое. Для каждого типа лазерной системы в зависимости от применений задается предельно допустимая величина упругого искажения зеркальной поверхности, например, измеряемая в долях процентов от длины волны лазерного излучения конкретной лазерной системы. Для СО2-лазера генерируемое излучение находится в инфракрасной области спектра, и длина волны составляет 10,6 мкм, следовательно, упругие искажения не должны превышать долей микрона. Еще более высокие требования предъявляются к оптике коротковолнового диапазона Интенсивность светового потока, при которой искажения поверхности зеркала достигают заданных для данного лазерного источника пределов, и есть порог его оптической работоспособности. Т.е чем лучше параметр оптического качества материала зеркала, тем при более высоких значениях интенсивности будет достигнут порог оптической работоспособности. За него выходить нельзя, так как из-за упругих деформаций зеркала изменится форма пучка лазерного излучения, что в конечном итоге скажется на перспективах доставки световой энергии в зону взаимодействия. Если дальше увеличивать световую нагрузку, то деформации переходят в неупругую область, становятся пластическими, а это означает, что на зеркале образуется уже необратимый рельеф, т.е. его отражающая поверхность разрушается необратимо и зеркало подлежит замене. Так вот, нужно было сделать зеркала, которые могли бы в течение долгого времени выдерживать лучевые нагрузки, составляющие в пересчете на тепловой поток до нескольких киловатт на квадратный сантиметр поверхности.
Чтобы представить, насколько сложна была поставленная задача, достаточно привести два примера. У зеркала, побывавшего в руках экспериментатора всего несколько секунд, из-за неравномерного нагрева теплом руки деформация оптической поверхности уже близка к предельно допустимой величине. Правда, в этом случае, если зеркало «оставить в покое», то форма его восстановится. Реально зеркалам современных мощных лазеров достается тепловой поток с величиной плотности мощности в несколько киловатт на квадратный сантиметр, он сравним с энергетическим потоком, который излучается в окружающее пространство непосредственно с единицы поверхности Солнца. А отсюда следует, что если мы как-то изловчимся и «положим на Солнце» лазерное зеркало, то форма его поверхности не должна существенно измениться даже в этом случае.
Чтобы решить подобную задачу и создать требуемую для построения мощных излучающих структур силовую оптику, необходимо было распутать целый клубок, проблем, относящихся к квантовой электронике, оптике, термоупругости и теплообмену, материаловедению и ко многим другим современным технологиям.
Казалось бы, первый шаг на этом пути очевиден: заменить полупрозрачный кварцевый диск на металлический и вывести излучение наружу за счет дифракции через отверстие в зеркале или через его край. Металл отлично отражает лазерное излучение, обладает высокой теплопроводностью, а значит, может хорошо отводить тепло из зоны взаимодействия луча с поверхностью зеркала. Но у чистых металлов есть и минусы: высокий коэффициент термического расширения — они легко меняют свои размеры при нагревании — и сравнительно низкая твердость, из-за которой металл трудно отполировать столь же тщательно, как и кварц.
Тут хотелось бы сказать, что современные достижения в оптической полировке металлов во многом связаны с поисками решения проблем лазерных зеркал. Теперь забавно вспомнить тот давний эпизод, когда физики впервые пришли к оптикам с куском металла. Просьба отполировать металлический диск в одной комнате с кварцем или исландским шпатом выглядела просто дикой — металлическая пыль в мастерской, где окончательно полируют, доводят до требуемого уровня сверхточную оптику, считалась недопустимой. И все же выход из создавшегося положения был именно таковым — металлическое зеркало. И, действительно, перебрав практически все доступные для массового применения металлы и сплавы, удалось увеличить на порядок порог оптической работоспособности новых зеркал по сравнению с традиционными - кварцевыми. Но и этого «в десять раз» оказалось недостаточно. Стало ясно, что требуемый уровень световых, а значит, и тепловых нагрузок на зеркало мощного лазера можно достичь только с помощью специального охлаждения, основ которого в то время еще не было разработано.
При охлаждении движущейся жидкостью отводимый тепловой поток прямо пропорционален разности температур нагретого тела и теплоносителя. Тепловые потоки в киловатты на квадратный сантиметр было бы несложно отвести, если бы зеркало было нагрето до температуры порядка тысячи градусов. Но при этом невозможно говорить о высоком оптическом качестве поверхности зеркала. Налицо противоречие: теплоотдача происходит интенсивнее при высоких температурах, а для стабильности геометрической формы и других оптических характеристик зеркала нужны температуры, близкие к комнатным. Разрешить это противоречие можно было только за счет более эффективного отвода тепла, но для комнатных температур оптических поверхностей лазерного зеркала, ни теория, ни практика не были разработаны.
Начали эксперименты с фрезеровки на обратной стороне металлического диска крупных каналов, по которым прогоняли обычную водопроводную воду. Их располагали как можно ближе к поверхности, но она дрожала, деформировалась из-за пульсаций давления воды. Каналы стали делать более мелкими и создавать микрокапиллярные структуры, а затем пришли к выводу, что лучше всего использовать специально разработанные для этих целей металлические капиллярно-пористые структуры, похожие на поролоновую губку для мытья посуды. Широкое применение нашли и так называемые войлочные и порошковые структуры на основе металлов. Теплообмен в них происходит весьма интенсивно, как за счет большой поверхности, отдающей тепло, так и за счет усиленного перемешивания охлаждающей жидкости, которая движется в микрокапиллярах. Кроме того, матрица-скелет пористого тела выполняет функцию опор: каждым своим звеном она сцепляется с зеркальной поверхностью и сохраняет ее первоначальную геометрию. Теплоноситель в такой структуре ведет себя как бурная горная речка, пронизывающая разветвленные и извилистые теснины. Матрица пористого тела подобна ажурной конструкции моста, удерживающей гладкое полотно дороги с помощью множества опор.
На высокопористый теплообменник нужно еще нанести тонкий, но очень твердый слой, который потом полируют, его поверхность в дальнейшем и станет зеркалом при условии нанесения высокоотражающего покрытия. Толщина разделяющего излучение и теплоноситель слоя должна быть незначительной 100-300 мкм, иначе оно будет существенно задерживать тепло, поглощенное отражающей поверхностью зеркала. Теперь известно несколько способов нанесения тонких слоев на высокопористый материал, а вот впервые сделать это было совсем не просто. Решили проблему с помощью интерметаллидов –– химических соединений металлов между собой. Получают интерметаллические покрытия, например, осаждением металлов из газовой фазы. Так можно не только создавать тонкий разделяющий слой, но и при необходимости реставрировать зеркало.
Интерметаллические покрытия обладают еще одним важным свойством: их структура позволяет получать зеркальные поверхности высокого оптического качества. Если посмотреть в микроскоп на отполированный обычный металл, то его поверхность напоминает апельсиновую корку — она вся покрыта мельчайшими горбиками и впадинами. Для уменьшения микронеровностей принимают дополнительные меры, например, до полировки легируют металл, чтобы сделать его более твердым, более мелкозернистым. Но все равно окончательные размеры неровностей остаются значительными: от 0,01 до 0,1 мкм. У интерметаллических покрытий структура изначально очень мелкая, порядка 0,1 мкм, и после обработки алмазным резцом или оптической полировки можно получить очень хорошие зеркальные поверхности со средним размером неровностей всего в несколько тысячных долей микрометра.
Итак, решение было найдено. Зеркало для мощных лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия, где уровни средней мощности излучения высоки или весьма высоки, — это высокопористый теплообменник и тонкий разделяющий слой с отражающим покрытием. Лазеры с такими зеркалами успешно применяются для сварки, резки и упрочения металлов в промышленности, при решении экологических задач и в военной технике.
Но оказалось, что и это еще не все, что есть возможности для совершенствования силовой оптики. Изменяя давление теплоносителя, можно заставить его кипеть при комнатной температуре, то есть при тех же условиях, при которых проводится окончательная оптическая обработка зеркальной поверхности. А при кипении теплоносителя часть поглощенного тепла расходуется на образование пара, поэтому теплоотдача становится в десятки и сотни раз выше, чем при конвективном теплообмене. Нужно только, чтобы пузырьки пара легко выводились из капиллярно-пористой структуры, т.е. размеры капилляров должны быть выбраны соответствующим образом.
А дальше воду можно заменить жидким металлом. Например, эвтектическими сплавами натрия, калия и цезия, у которых низкая температура плавления. Интенсивность теплообмена стала еще выше: тепло теперь не только уносилось движущейся жидкостью, но и передавалось по самому теплоносителю, который, как и все металлы, есть отличный проводник тепла. Жидкометаллические теплоносители позволили отводить с отражающей поверхности тепловые потоки до десятка киловатт с квадратного сантиметра поверхности.
Используя методы охлаждения металлических зеркал мощных лазеров, можно решать такие, например, «незеркальные» проблемы, как охлаждение больших интегральных схем или создание мощных анодов рентгенолитографических установок для микроэлектроники. Эти устройства должны выдерживать тепловые нагрузки в несколько десятков и сотен киловатт на квадратный сантиметр. Работы по созданию силовой оптики для мощных лазеров - это и большой спектр внедрения найденных технических, технологических и конструктивных решений в другие области знания.
Погоня за мощностью полупроводниковых лазерных структур
Одним из наиболее ярких и наиболее перспективных внедрений идей охлаждаемой силовой оптики в настоящее время следует считать внедрение форсированного теплообмена в сборки мощных полупроводниковых лазеров. Данный тип лазера обладает наивысшим на сегодня коэффициентом полезного действия, достигающим 80-90%. Современные технологии изготовления полупроводниковых структур позволили существенно увеличить время жизни лазеров, которое составляет десятки тысяч часов непрерывной работы. Вариация состава полупроводникового материала позволяет изменять спектральный диапазон излучения от ближнего инфракрасного до ультрафиолетового. Они очень компактны, надежны и просты в эксплуатации. Для увеличения выходной мощности необходимо задействовать одновременно большое количество лазерных диодов, которые формируются в одномерные или двумерные эффективно охлаждаемые структуры.
Охлаждаемая сборка лазерных диодов обладает практически всеми замечательными свойствами одиночных полупроводниковых лазеров: высокой интенсивностью, высокой надежностью, большим временем жизни (до 1012 циклов). Эти лазеры имеют существенно меньшие массогабаритные размеры в сравнении с другими типами лазеров, легко могут быть выполнены с автономными низковольтными источниками питания (солнечная, ядерная энергетики) без громоздких преобразователей. Оборудование на основе сборок лазерных диодов действительно становится надежным высокоэффективным инструментом, который может использоваться как в промышленности, в медицине и в научных исследованиях, так и военном деле.
Стабильность работы сборок лазерных диодов и величина их выходной мощности полностью определяется эффективностью теплообмена. Лазерные диодные линейки припаиваются низкотемпературными припоями к поверхности теплообменника, который изготавливается по технологии силовой оптики. Следует заметить, что уровни тепловых потоков, которые необходимо отводить от зоны контакта линейки с теплообменником уже давно приблизились к характерным значениям силовой оптики. К сегодняшнему дню наметились три основных направления использования мощных охлаждаемых сборок лазерных диодов.
Первое: накачка твердотельных кристаллических лазеров. Последние, обладая высоким качеством выходного излучения, работают как световой трансформатор. Эффективность такой системы значительно выше КПД твердотельных лазеров с ламповой накачкой, именно накачка полупроводниковыми лазерами делает ее максимально возможной и уже превысила величину в несколько десятков процентов для киловаттного уровня мощностей. Излучение полупроводниковых лазеров абсолютно не портит рабочую среду кристаллических лазеров, чем существенно продлевает срок службы всей лазерной системы. Массогабаритные размеры таких систем невелики, что позволяет делать их транспортабельными. Основная цель –– это разработка и создание диодных матриц с возможно большей плотностью мощности излучения. Рекордные цифры 200 Вт с одной диодной линейки длиной 1 см продемонстрированы совсем недавно благодаря, прежде всего, высокоэффективному теплообмену. Предельная величина мощности с одной линейки, как показывают расчеты, может достигать 500 Вт. В ИОФ РАН в отделе мощных лазеров ведутся работы в этом направлении. Мощные же твердотельные лазерные системы с диодной накачкой с уровнем выходной мощности 100 кВт и более разрабатываются в основном в США.
Второе: важная задача –– это ввод излучения диодной матрицы в световод для последующей транспортировки к объекту обработки. Потери излучения в системе сборка лазерных диодов - волоконный световод составляют около 20% и определяются в основном тем же теплообменом, проявляющемся в этом случае в виде смайла, не позволяющего эффективно сложить с помощью цилиндрической оптики зоны генерации отдельных диодов линейки в минимальное пятно. В настоящее время известно о подобных системах мощностью в несколько кВт, промышленно изготавливаемых в США, Японии и Германии.
Третье и, как нам кажется, наиболее перспективное направление использования сборок лазерных диодов –– это создание фазированной диодной матрицы. Выходное излучение такого лазера представляет собой набор узконаправленных интерференционных пиков (в частном случае один пик) с малой расходимостью. Исходя из теоретических оценок, выходная мощность таких систем может достигать мощности обычной несфазированной диодной матрицы. Таким образом, этот лазер представляет собой источник излучения с высоким КПД, присущим полупроводниковым лазерам и малой расходимостью характерной для твердотельных кристаллических лазеров. По аналогии с техникой фазированных антенн в радиодиапазоне, расходимость излучения в случае фазированных диодных матриц может быть доведена до 10-6 рад без дорогостоящих телескопических систем, что обеспечит сверхдальнюю связь и передачу энергии на большие расстояния.
В настоящее время подобные системы находятся в стадии научного исследования В ИОФ РАН показана возможность масштабирования процесса фазировки линеек и матриц лазерных диодов, созданы матрицы лазерных диодов мощностью до 500 Вт. и продолжаются исследования фазировки лазеродиодных структур на больших уровнях мощностей. Таким образом, водоохлаждаемые мощные лазеродиодные линейки и матрицы - это перспективные источники излучения.
Среди эффективных внедрений также и алмазное точение и связанное с ним создание большой серии уникальных по точности и чистоте обработки станков. С их помощью сейчас изготавливают и диски памяти, и барабаны множительных машин, и многое другое. Из «незеркальной» практики большое значение имеет развитие технологии получения широкого спектра капиллярно-пористых структур на основе различных металлов и композитов, технологии нанесения устойчивых к механическим повреждениям и обладающих высокой твердостью покрытий из металлов и интерметаллидов и многое другое.
Оптика нового поколения на основе карбида кремния
В настоящее время развитие силовой оптики стимулирует три направления эффективного использования ее технических и технологических решений:
1. Облегченные крупногабаритные телескопы наземного и космического базирования для изучения вселенной;
2. Астрономическая оптическая аппаратура дистанционного зондирования земли для малых космических аппаратов;
З. Зеркала для мощных лазеров специального назначения.
Все три направления основаны на наукоемких технологиях, способствующих сохранению и развитию научного и промышленного потенциала страны и ее оборонного комплекса. Основным элементом базовых объектов всех трех направлений являются крупногабаритные облегченные зеркала (диаметром до 1000 мм). Выбор материала зеркал является ключевой задачей при создании оптических объектов нового поколения. Сравнительные оценки материалов по критериям оптического качества для решения задач силовой оптики, разработанные нами в начале 70-х, показали, что для создания зеркал широкого спектра назначений (в том числе и крупногабаритных) карбид кремния имеет неоспоримое преимущество перед традиционными материалами, такими как алюминий, стекло, ситалл, бериллий, медь и др. Этот вывод согласуется с более поздними выводами зарубежных специалистов, которые интенсивно работают в этом направлении. В качестве примера можно привести программу NASA и Министерства обороны США AMSD (Advanced Mirror System Demonstrator), в рамках которой велись масштабные работы по выбору материала и созданию базовых технологий для изготовления силовых и крупногабаритных охлаждаемых облегченных зеркал. Программа дала основание для широкомасштабных исследований этого вопроса в Германии, Франции, Японии, США. Сегодня технология карбида кремния успешно развивается и в Китае. На основании проведенных исследований был сделан вывод о неоспоримом преимуществе карбида кремния для изготовления крупногабаритных, облегчённых и охлаждаемых зеркал для телескопов космического базирования. Этот вывод реализован индустриально развитыми странами при создании десятков телескопов нового поколения. Так крупногабаритное зеркало диаметром более 500 мм из карбида кремния имеет вес в 5-7 раз меньше, чем вес аналогичного зеркала из ситалла, лучшее качество поверхности с точки зрения рассеяния, высокую термическую стабильность и минимальную постоянную времени при смене внешней температуры. Очевидно, что переход к новому поколению телескопов космического базирования, силовых крупногабаритных зеркал мощных лазеров невозможен без внедрения карбида кремния в повседневную практику.
В России созданием зеркал из карбида кремния для мощных лазеров под руководством ИОФ РАН более четверти века занимался коллектив лаборатории керамических материалов ФГУП «НИИ НПО ЛУЧ» в подмосковном Подольске. В настоящее время работы по данному направлению, к нашему глубокому сожалению, приостановлены.
Заключение
Предложенные нами инновационные разработки - это комплекс новых технологических решений, которые и сегодня опережают мировой уровень и по-прежнему не востребованы в нашей стране. Необходимо существенное изменение отношения к высоким технологиям, созданным и все еще поддерживаемым с огромным трудом на уровне энтузиастов, к технологиям, которые востребованы на мировом рынке и способны приносить огромную прибыль нашему государству.
Фото Валерия ЛОМОВА.
Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде»
Борьба с космическим мусором с помощью лазеров
Многозарядные ионы и их эффективные применения
Лазер на службе в ледокольном флоте
Лазерное лечение острых форм туберкулеза
Какой режим работы лазера является максимально эффективным?
Дисковые лазеры: преимущества и перспективы
